Бікарбонатна буферна система

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук

Бікарбона́тна бу́ферна систе́ма — буферна система, що складається із карбонатної кислоти (H2CO3) в якості донора протонів (H+) і бікарбонату (HCO-3) в якості їх акцептора. Бікарбонатна буферна система відіграє роль у підтриманні сталості pH рідин організму тварин, зокрема, вона є найважливішою буферною системою крові, тканинної рідини і лімфи, також потрібна для забуферення внутрішньоклітинної рідини.

Механізм дії[ред.ред. код]

Бікарбонтана система дещо складніша за інші буферні системи, що складаються із пари слабка кислота/спряжена основа, оскільки один із її компонентів — карбонатна кислота — утворюється у зворотній реакції із вуглекислого газу, розчиненого в плазмі крові. А концентрація останнього у свою чергу залежить від парціального тиску CO2 у газовій фазі, з якою кров контактує, тобто в альвеолярному повітрі. Таким чином pH бікарбонатної буферної системи залежить від трьох рівноважних процесів:

  1. Дисоціації карбонатної кислоти:
    H_2CO_3 \rightleftarrows H^+ + HCO_3^-;
    K_1 = \frac{[H^+][HCO_3^-]}{[H_2CO_3]};
  2. Утворення крабонатної кислоти із води і розчиненого вуглекислого газу CO2(d):
    CO_2(d) + H_2O \rightleftarrows H_2CO_3;
    K_2 = \frac{[H_2CO_3]}{[CO_2(d)][H_2O]};
  3. Розчинення вуглекислого газу із газової фази CO2(g) в плазмі крові:
    CO_2(g) \rightleftarrows CO_2(d)
    K_3 = \frac{[CO_2(d)]}{[CO_2(g)]}

Коли концентрація іонів H+ у крові збільшується, наприклад, внаслідок виділення молочної кислоти м'язами, рівновага рівняння 1 зміщується в сторону утворення карбонатної кислоти, це у свою чергу призводить до підвищення вмісту розчиненого вуглекислого газу (рівняння 2) і, зрештою, до збільшення парціального тиску CO2 у легенях (рівняння 3). Зайвий оксид карбону видихається. Коли pH крові підвищується, наприклад, внаслідок утворення NH3 під час катаболізму білків, відбувається зворотний процес: більше карбонатної кислоти дисоціює до бікарбонату, і, відповідно, більше вуглекислого газу розчиняється у плазмі.

Частота і глибина дихання регулюється центром у стовбурі головного мозку, який отримує інформацію про концентрацію вуглекислого газу в крові і її кислотність. Зниження pH і збільшення pCO2 стимулює прискорення газообміну в легенях.

Обчислення pH[ред.ред. код]

Зона буферування для пари слабка кислота/спряжена основа, тобто діапазон pH, у якому така буферна система може ефективно працювати, обраховується як pKa±1. Константа кислотної дисоціації для карбонатної кислоти становить 3,57 при температурі 37 °C. Отже за фізіологічних умов концентрація H2CO3 (приблизно 1 мМ) суттєво нижча ніж концентрація HCO-3 (24—25 мМ), тому така система мала би бути дуже ефективною у запобіганні зниженню pH, але при виділенні у кров лужних речовин, її буферна ємність повинна швидко вичерпуватись. Проте, оскільки кров постійно контактує із великою резервною ємністю вуглекислого газу в повітрі легень, бікарбонатна система може ефективно протистояти і збільшенню pH. Реальне спостережуване значення pKa у фізіологічних умовах для неї становить 6,1. У клінічній медицині для обчислення pH плазми, виходячи із концентрації розчиненого вуглекислого газу, використовують таку модифікацію рівняння Гендерсона-Гассельбалха:

pH = 6,1 + \log \left (\frac{[HCO_3^-]}{(0,23 \times pCO_2)} \right),

де pCO2 виражається у кілопаскалях (типово від 4,6 до 6,7), а коефіцієнт 0,23 відображає розчинність вуглекислого газу у воді.

У культуральних середовищах[ред.ред. код]

Бікарбонатна буферна система широко використовується у середовищах для культивування еукаріотичних клітин, наприклад DMEM[1] і RPMI-1640[2]. На відміну від органічних буферних агентів, таких як MOPS і HEPES, бікарбонат не є токсичним і більшість клітин потребують його для росту, не в залежності від його ролі у підтриманні сталого pH[3].

Крім самого бікарбонату, який додається у середовища у вигляді натрієвої солі, бікарбонатна буферна система для ефективного функціонування потребує достатньої концентрації вуглекислого газу. Хоч він і виділяється живими клітинами, цієї кількості замало, щоб підтримувати необхідне значення pH. Через це клітини культивують у CO2-інкубаторах із концентрацією вуглекислого газу 5—10%. Якщо середовище, в якому використовується бікарбонатна буферна система тривалий час контактує із звичайним повітрям (концентрація CO2 0,04%) його pH поступово зростає[4].

Джерела[ред.ред. код]

  • Nelson D.L., Cox M.M. (2008). Lehninger Principles of Biochemistry (вид. 5th). W. H. Freeman. с. 61—63. ISBN 978-0-7167-7108-1. 
  • Marieb EN, Hoehn K (2006). «Acid-Base Balance». Human Anatomy & Physiology (вид. 7th). Benjamin Cummings. ISBN 978-0805359091. 

Примітки[ред.ред. код]

  1. «DMEM Dulbecco’s Modified Eagle Media» (en). Invitrogen. Архів оригіналу за 2013-08-27. Процитовано 2013-03-30. 
  2. «RPMI Media» (en). Sigma-Aldrich. Архів оригіналу за 2013-08-27. Процитовано 2013-03-30. 
  3. Mather J.P., Roberts P.E. (1998). Introduction to cell and tissue culture. Springer. с. 29. 
  4. «Buffering Systems» (en). Cellgro. Процитовано 2013-03-30.